Afin d’étudier l’influence du rapport des viscosités entre les polymères, les associations de matériaux PP18/PA6 et PP25/PA6 sont mises en œuvre via deux types de morphologies dont le nombre d’interfaces varie : côte-à-côte et segmentée. Les caractéristiques de la ligne de filage multicomposante sont décrites dans un premier temps suivies des paramètres du procédé.
2.2.1 Présentation de la ligne de filage multicomposante en voie fondue
La mise en œuvre des filaments bicomposants a été réalisée à l’aide de la ligne de filage tricomposante fabriquée par Hills Incorporation et disponible au CETI (Figure B17). La machine est constituée de trois extrudeuses monovis identiques et les polymères sont coextrudés à travers un pack de filage spécifique et le faisceau de filaments extrudé est étiré à travers trois rouleaux d’étirage dont les vitesses de rotation varient.
Figure B17: Ligne de filage tricomposante présente au CETI
Le principe du filage multicomposant a été décrit lors de l’étude bibliographique présenté en
Chapitre A, il est plus détaillé en Figure B18. Le profil des extrudeuses est composé de trois
zones, la zone 1 qui correspond à la zone d’alimentation, la zone 2 à la zone de compression et la zone 3 à la zone de pompage. Les températures d’extrusion (T1, T2, T3) et celle de chaque pompe (T4) dépendent des propriétés des matériaux polymères à mettre en œuvre. En sortie d’extrudeuse, les polymères rejoignent les pompes volumétriques dont la capacité est variable selon l’extrudeuse utilisée. Ainsi, l’utilisation des extrudeuses dépend de la morphologie souhaitée, et les vitesses de rotation des pompes varient selon le rapport massique des matériaux polymères. Seule la filière aura une température fixée (T5) correspondant à une moyenne intermédiaire entre les valeurs des températures d’extrusion des deux polymères.
Figure B18: Principe du filage multicomposant par voie fondue
Après leur passage dans les pompes volumétriques, les polymères traversent le pack de filage (déjà décrit en Chapitre A) composé d’un bloc de répartition qui recueille les matériaux, des plaques de distribution dont le nombre diffère selon la morphologie souhaitée, et la filière constituée de 36 trous de diamètre 0,35 mm avec un rapport L/D de 4 [14]. Un faisceau de 36 filaments bicomposants est extrudé à travers la filière comme présenté dans la Figure B19.
Figure B19 : Faisceau de filaments bicomposants obtenus via la filière de
36 trous
Avant d’être étirés, les filaments passent par une étape d’ensimage qui assure la cohésion entre les filaments, la lubrification et supprime les effets statiques qui peuvent se créer lors du frottement sur les rouleaux d’étirage. Bien que la formulation chimique reste secrète, l’ensimage est un composé huileux contenant plusieurs additifs dont un agent lubrifiant et des tensioactifs. La solution est généralement diluée à 1 % dans de l’eau déminéralisée afin d’éviter toute influence sur les propriétés mécaniques finales du multifilament.
Ces dernières dépendent de l’étirage qui correspond au rapport entre les vitesses des deux rouleaux, R1 et R2 (rouleau d’étirage). L’étirage est réalisé par le passage du multifilament sur ces deux rouleaux et permet ainsi une orientation des chaînes macromoléculaires et l’amélioration des propriétés mécaniques. Le fil subit ensuite une relaxation par le passage sur le troisième rouleau avant d’être enroulé sur une bobine.
2.2.2
Conditions de filage des fibres bicomposantes
L’influence du rapport des viscosités sur la morphologie bicomposante segmentée à 16 interfaces qui permet la diminution en finesse de la fibre est l’objectif de cette étude. D’après l’état de l’art décrit en première partie de ce chapitre, les travaux portent sur les instabilités interfaciales dans des systèmes multicouches à une seule interface. L’origine de ces phénomènes étant difficile à analyser, nous avons initialement mis en œuvre les associations de matériaux via une morphologie à une interface : côte-à-côte. Afin de mieux visualiser l’interface entre les composants de la fibre bicomposante, un pigment coloré a été
ajouté à hauteur de 1 % dans chaque PP. Toutefois, nous avons au préalable vérifié que l’ajout de pigment n’avait aucune influence sur les propriétés rhéologiques des PP.
Les paramètres de filage ont été fixés pour les deux associations de matériaux étudiées, PP18/PA6 et PP25/PA6. Les polymères ont été mis en œuvre dans les proportions massiques 50/50 (%) pour chaque couple. Les extrudeuses A et B ont été utilisées pour l’obtention des fibres à morphologie simple (côte-à-côte) et les extrudeuses A et C pour la morphologie complexe (segmentée). Les vitesses des pompes sont fixées et dépendent du débit total, de la fraction massique des polymères et de leur masse volumique. Ainsi, le PA6 étant extrudé en A, la vitesse de pompe correspondante PA est fixée à 24 tours par minute. La capacité volumique de la pompe est deux fois plus importante que celle placées en amont des extrudeuses B et C. Les PP ont été transportés à travers l’extrudeuse B (ou C) et la valeur de la vitesse de rotation de la pompe (PB ou PC) est de 49 tours par minute. Le débit total imposé est de 0,6 grammes par trou par minute ; le taux de cisaillement dans la filière peut alors être prédit théoriquement par l’Équation B1 afin d’évaluer l’influence du rapport des viscosités pour les deux couples de polymères. [15]
Ῠ = 4𝑄 𝜋𝑅3
Équation B1
Avec Ῠ le taux de cisaillement (s-1), Q le débit (m3.s-1) et R le rayon du capillaire (m).
Ainsi, les conditions de filage imposent un taux de cisaillement de 3000 s-1 pour tous les essais menés. Lors de l’étude bibliographique sur les instabilités interfaciales dans les procédés de coextrusion, l’accent a été mis sur l’influence du rapport des viscosités entre les matériaux à mettre en œuvre. Afin de minimiser l’apparition de ces déformations, les polymères doivent idéalement avoir la même viscosité sur une large fenêtre de taux de cisaillement. Lamnawar et al. ont analysé les propriétés rhéologiques des matériaux à différentes températures pour avoir le rapport de viscosités le plus proche de 1 [5]. Nous avons alors déterminé la valeur de la viscosité à différentes températures pour fixer les profils de température de chaque extrudeuse. Cette étude est présentée par la suite dans la partie
consacrée à l’étude rhéologique des matériaux. Cependant, les profils de température de chaque matériau sont donnés dans le Tableau B3 qui résume les conditions de filage des associations de polymères étudiées.
Polymère Extrudeuse T1 T2 T3 Pompe T4 Pack de filage T5 Vitesses Rouleaux (m.min-1) R1 R2 Températures Rouleaux (°C) PP18 200 220 230 230 235 450 905 X PP25 200 220 230 230 235 450 905 X PA6 225 230 240 240 235 450 905 45
Tableau B3 : Conditions de filage des associations de polymères investiguées